книги / Промышленное применение лазеров
..pdf(что требует измерения временных задержек излучения) и рассмат риваемых методов.
Микроскопия. Оригинальная идея двухступенчатого голографи ческого микроскопа, предложенная профессором Д. Габором, состояла в использовании электронных волн или рентгеновских лучей на пер вом этапе получения голограммы и освещения видимым светом на втором для получения воспроизведенного изображения с высоким разрешением. Изображение может быть очень сильно увеличено, и, кроме того, оно имеет глубину, чего нельзя получить обычными средствами. Наконец, увеличенное изображение может быть трехмер ным. Качество изображения намного лучше по сравнению с качеством изображения, получаемого с помощью хорошо разработанных мето дов обычной микроскопии для традиционных применений.
Однако оригинальная идея Габора до сих пор не осуществлена. Для достижения увеличения, сравнимого с увеличением электронно го микроскопа, на практике необходимо иметь когерентный рентге новский источник, правильно разместить опорный источник и подго товить объект, следить за аберрациями голограмм и уровнями интен сивности. Это только некоторые из проблем, которые должны быть решены, прежде чем будет экспериментально создан рентгеновский голографический микроскоп с увеличением, позволяющим разре шать размеры атомов.
Голографическая микроскопия используется для исследования трехмерных записей способом, который не мог быть осуществлен до сих пор. Так как воспроизведенное изображение можно исследовать в спокойной обстановке, форму и распределение малых объектов можно изучать более подробно, даже если их положения могут впо следствии измениться. Голограммы, полученные с помощью им пульсного лазера, замораживают движение частиц в исследуемом объеме. Пленка обрабатывается и освещается так, чтобы получить воспроизведение участка объема с большой глубиной. При фокуси ровке на отдельной плоскости изображения можно рассматривать детали в этой плоскости. Эти методы находят применение при изу чении аэрозолей и измерении распределения их частиц оптическим
секционированием голограммного изображения. Аналогичные мета, ды применяются для исследования голографических изображений микроскопической флоры и фауны. Распределение в некоторый мо мент времени может быть запечатлено и исследовано по трем изме рениям, что до сих пор было невозможно. Эти методы могут найти также применение в ядерной физике при изучении следов в пузырь ковой камере.
Задачи автоматизации экспериментальных исследований тех нологических лазеров и лазерной обработки материалов. Для этого требуется экспериментальное изучение систем жизнеобеспечения (газонаполнения, поддержания состава смеси, охлаждения, питания
ит.п.), физических процессов, происходящих в активном резонаторе (электроразрядной камере, в самом резонаторе при введении в него специальных элементов для модуляции добротности, при юстировке
ит.д.), измерение характеристик излучения и его транспортировка
взону обработки. Очевидно, в зависимости от типов лазерных уста новок и поставленной задачи удельный вес перечисленных работ может быть разным.
Для исследования систем жизнеобеспечения и их влияния На параметры установки должно проводиться измерение соответствую щих характеристик: давления, концентрации газов, температуры, скорости потоков в реальном времени, причем количество и требуе мые типы датчиков могут быть самыми разными. Возможность из мерять указанные характеристики служит основой и для решения задачи поддержания их в определенном интервале значений, управ ления ими по заданному закону. Важной частью экспериментов яв ляется оптимизация систем накачки в электроразрядных лазерах, при этом необходимо контролировать токи, другие параметры разряда,
втом числе влияющие на неоднородность оптических характеристик
активной среды. Для определения такой неоднородности целесооб разно использовать оптические, в том числе интерферометрические, методы, особенности которых сточки зрения автоматизации рас смотрены ранее. Измерение пространственных, временных, энерге тических и спектральных характеристик излучения технологических
лазеров позволяет экспериментально исследовать физические про цессы в активной среде, оптимизировать режимы работы лазера за счет введения обратной связи, управлять мощностью, поляризацией и другими характеристиками выходного излучения.
Очевидно, эти же измерения необходимы и для проведения экс периментов непосредственно при обработке материалов, поскольку для технологических процессов требуется дозировка излучения. В определенных случаях для контроля состояния обрабатываемого объекта (например, температуры на поверхности) целесообразно ис пользование контактных и бесконтактных датчиков, следовательно, требуется сбор данных, характеризующих состояние объекта, истин ную траекторию движения луча.
Наконец, важным условием является эксплуатационная надеж ность разрабатываемых лазерных установок, что приводит к необхо димости тестирования применяемого оборудования и контроля с це лью предотвращения аварийных ситуаций.
Из проведенного выше анализа следует, что эксперименталь ные исследования в области лазерной технологии характеризуются разнообразием применяемых методов и средств, необходимостью обработки больших массивов данных, управления различными уст ройствами и т.д. Это делает очевидным необходимость автоматиза ции как с точки зрения повышения эффективности, так и принципи альной невозможности проведения полноценных экспериментов без применения средств вычислительной техники.
4.5.10. Оптоэлектроника
Под оптоэлектроникой, как известно, понимаются детали и осо бенности систем, содержащих излучатель; устройства, направляю щие, обрабатывающие и канализирующие луч и фотоприемник. Та кие системы в настояпдее время находят широкое применение для создания связных комплексов разного уровня: от связи отдельных частей ЭВМ между собой до межконтинентальных кабельных линий связи. При этом из-за того, что в настоящее время наилучшими па
раметрами |
обладают |
кварцевые световоды в диапазоне длин волц |
X = 1,0-5-1,4 мкм (потери 0,5 дБ/км), причем такие длины волн удается |
||
получить |
с помощью |
инжекционных полупроводниковых лазероц. |
имеющих сравнительно широкий спектр и большую нестабильность частоты, надежная связь по таким световодам может осуществляться при использовании только импульсной модуляции луча. Вторым важным направлением использования систем оптоэлектроники явля ется передача с их помощью колебаний СВЧ, несущих ту или иную информацию (чаще всего в фазированных антенных решетках). В этом случае СВЧ колебания модулируют лазерный луч на одном конце световода, а на втором его конце производится демодуляция с помощью малоинерционных фотоприемников, причем достижимые в настоящее время при этом потери (порядка 16 дБ) в ряде случаев имеют тот же уровень, что и протяженные и громоздкие волновод ные тракты СВЧ.
Наиболее быстро развивающимся направлением оптоэлектрони ки в настоящее время является интегральная оптика. Интерес к ней вызван возможностью создания надежных малогабаритных устройств для оптической обработки информации, управления и каналирования оптического излучения. На основе оптических волноводных элемен тов, интегрированных на общей подложке и управляемых электриче скими и оптическими сигналами, возможно создание модуляторов, коммутаторов, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразовате лей, логических устройств, процессоров, приемных и передающих мо дулей, частотно-селективных оконечных устройств для световодных систем передачи и обработки информации, а также других элементов информационной техники, которые по удельному энергопотреблению способны конкурировать с микроэлектронными аналогами, а по быст родействию могут значительно превосходить их.
Замена в информационных системах электрических цепей оп тическими позволяет на 3^4 порядка повысить быстродействие и ем кость таких систем, а переход к оптическим и оптоэлектронным ин тегральным схемам дополнительно дает значительный выигрыш как
по энергопотреблению, так и в габаритных размерах и надежности систем в целом.
Видно, что квантовые и оптоэлектронные приборы широко ис пользуются сегодня и им принадлежит большое будущее.
4.5Л1. Химия
В качестве научного прибора лазеры уже применялись в химии для спектроскопических исследований и для изучения кинетики хи мических реакций с помощью импульсного фотолиза. В результате этих исследований была получена полезная информация для разви тия теории химических реакций. Для целей спектроскопии лазер су щественно превосходит другие источники света. Спектроскопия вы сокой разрешающей силы с использованием перестраиваемого лазера также может быть ценным аналитическим инструментом.
Появление интенсивных перестраиваемых лазеров открыло но вые направления исследований в фотохимии. Для непосредственного инициирования процесса протекания химических реакций в нужном направлении лазер должен быть настроен на длину волны, соответ ствующую селективному поглощению молекул. Таким способом можно инициировать протекание химических реакций в направле нии, отличном от того, в котором бы они шли без фотовозбуждения.
Лазеры дают возможность осуществлять селективное возбуж дение выбранных состояний атомов и молекул или селективный раз рыв специфических химических связей. Такие процессы могут быть очень эффективны для инициирования химических реакций. Лазер можно настроить на молекулярный резонанс так, чтобы возбужда лись только некоторые избранные химические связи. Это дает воз можность проводить химические реакции в нужном направлении. Для исследования кинетики сверхскоростных химических реакций используется также техника пикосекундной спектроскопии. Получе ние оптических импульсов с длительностью КГ12 с и меньше от пе рестраиваемых лазеров на красителях с синхронизацией мод открыло совершенно новые области исследования.
Наиболее существенные преимущества лазерной фотохимии проявляются при разделении изотопов. В этом случае могут быть использованы небольшие сдвиги в спектрах поглощения молекул, содержащих различные изотопы интересующих нас атомов. Лазер настраивается на резонансное поглощение только одного из изото пов. Молекулы, содержащие данный изотоп, затем вступают в хими ческую реакцию и могут быть отделены от остальных каким-либо удобным способом. Этот процесс может иметь большое практиче ское значение особенно при разделении изотопов урана. Лазерное разделение изотопов урана может быть осуществлено двумя различ ными технологическими путями. Один из них связан с использова нием паров атомов урана. Этот процесс является двухступенчатой ионизацией. Он был продемонстрирован в 1974 г., когда впервые было получено небольшое количество обогащенного урана.
В другом лазерном методе вместо атомарного урана использу ются пары гексафторида урана UF6. Последовательное поглощение инфракрасных фотонов молекулой, содержащей выбранный изотоп, приводит к тому, что молекула перемещается по ступеням энергети ческой лестницы, находящимся примерно на равных расстояниях друг от друга до тех пор, пока она в конце концов не диссоциирует. Продукты диссоциации, содержащие нужный изотоп, могут быть удалены химическим способом.
Достоинство этого метода состоит в том, что в данном случае дело имеют с газом UF6, с которым легче работать, чем с коррозион но-активным паром атомарного урана. Демонстрация метода была осуществлена в 1976 г.
Разделение других изотопов также может иметь важное значе ние при производстве недорогих изотонически меченных веществ для медицины, научных исследований и промышленности. Изотопи чески обогащенные химические соединения широко используются в медицине для диагностических и терапевтических целей.
Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния использу ется для идентификации медикаментов, обнаружения следов лекар ственных препаратов в пробах крови или мочи, обнаружения мета
болических побочных продуктов превращения лекарств в организме, определения примесей в продуктах различных типов, и в том числе в медицинских препаратах, и для изучения полимеров в растворах. Для проведения исследований по спектроскопии комбинационного рассеяния прозрачность образцов не требуется. Поэтому такие объ екты, как крупинки, химикаты, лекарства и покрытия, могут быть обычными образцами для анализа. Благодаря этим особенностям хи мические лаборатории становятся важным рынком для приборов ла зерной спектроскопии комбинационного рассеяния.
Единственными доступными перестраиваемыми лазерами яв ляются лазеры на красителях, которые могут использоваться в види мом и ближнем ультрафиолетовом участках спектра. Имеются также перспективы создания перестраиваемых лазеров других типов, осо бенно для инфракрасной области спектра.
4.5.12. Производство компонентов электронных схем
Лазеры нашли разнообразное применение в электронной про мышленности. Лазеры позволяют изготовлять элементы электронных схем путем непосредственного испарения части нанесенной на диэлек трическую подложку тонкой пленки с целью придания этой пленке не обходимой геометрической формы. Методом испарения под действием лазерного излучения можно изготовлять резисторы и конденсаторы не посредственно на тонкопленочных структурах. Лазер испускает непре рывную последовательность импульсов с пиковой мощностью 1 кВт, длительностью 200 нс и частотой повторения -400 Гц. С помощью объектива микроскопа лазерный пучок фокусируется в пятно диамет ром -8 мкм. При перемещении пучка происходит испарение узкой по лосы тонкой металлической пленки, нанесенной на кварцевую или сапфировую подложку. Система позволяет испарять полосу шири ной -1 мкм на золотой пленке и -0,4 мкм на нихромовой пленке со скоростью -2,5 мм/с. Процесс сопровождается относительно слабым повреждением материала подложки. Полосы на поверхности пленки свободны от остатков металла.
С помощью той же лазерной системы наносится совокупность тонких полос при изготовлении пленочных конденсаторов со структу рой тантал-хром-золото. Метод позволяет изготовлять конденсаторы емкостью ~20 пФ с малыми отклонениями от номинала. Величина ем кости изменяется путем регулирования ширины зазора между метал лическими полосами. С помощью лазера можно целиком изготовить тонкопленочную схему со всеми находящимися на ней резисторами и конденсаторами. Лазеры могут также применяться для изготовления фотошаблонов, используемых для травления микросхем, или шабло нов, пригодных для напыления элементов схемы на подложку.
Лазеры могут также использоваться для подгонки параметров электронных компонентов к номиналу за счет селективного удаления части материала. Для этого можно использовать лазеры, работающие в режиме повторяющихся имггульсов малой длительности.
Лазер может оказаться особенно удобным для подгонки тол стопленочных резисторов. По сравнению с методом подгонки путем абразивной обработки лазерный метод отличается высокой чистотой. Он позволяет подгонять сопротивления с высокой точностью в усло виях контроля его величины в реальном масштабе времени. Имеется возможность быстро приостановить процесс подгонки после того, как будет достигнуто требуемое сопротивление. После подгонки осуществляется герметизация резистора.
На рис. 4.24 показаны надрезы, выполненные с помощью лазера на АИГ с неодимом в процессе подгонки толстопленочного резистора.
Исследованы различные варианты геометрии надреза. Широко применяется L-образный надрез. Вначале осуществляют частичный надрез поперек оси резистора, а затем изменяют направление надреза на 90° Такая форма надреза позволяет лучше контролировать вели чину сопротивления. Если же надрез производится только поперек резистора, то в этих условиях значительно труднее выполнить необ ходимую точность подгонки (в особенности в тех случаях, когда надрез охватывает почти все сечение резистора). С помощью надреза L-образной формы возможно более постепенное приближение вели чины сопротивления к требуемому уровню.
сти, так как позволяет получать с высокой точностью рисунки слож ных микросхем.
Примером промышленного процесса, в котором используется испарение материала под действием лазерного излучения, может служить процесс подгонки монолитных кристаллических фильтров с помощью устройства на основе лазера на АИГ с неодимом. При помощи лазера испаряется часть золотых полос, служащих для связи между электродами, и это позволяет настроить фильтр с центральной
частотой, равной 8 МГц, с точностью до 3 Гц. |
|
||
Для |
иллюстрации |
распространенности |
лазерной техники |
в табл. 4.13 |
перечислены |
области электронной |
промышленности, |
в которых применение лазеров достигло уровня серийного производства. Таблица 4.13
Области широкого применения лазеров в электронной промышленности
Область применения |
Материалы |
Тип лазера |
|
Подгонка тонкопленочных резисторов |
Та, Cr, Ni - Сг |
АИГ с неодимом |
|
Подгонка толстопленочных резисторов |
Керметы |
АИГ' с неодимом, |
|
С02-лазер |
|||
|
|
||
Скрайбирование подложек |
Глинозем |
С02-лазер |
|
Скрайбирование подложек |
Кремний |
ЛИГ с неодимом |
|
Пробивка отверстий |
Глинозем |
С02-лазер |
4.5.13. Изготовление фотомасок
Лазерное излучение используется для испарения небольших количеств хрома из пленки на поверхности стеклянных пластин с изображением фотомасок, используемых при производстве кри сталлов-подложек для интегральных схем. Применение такого мето да в широком промышленном производстве позволяет уменьшить число дефектов, приходящихся на одну маску, и повысить выход годных кристаллов для интегральных схем.